Введение к работе
В диссертации представлены результаты экспериментального исследования электрического потенциала плазмы тороидальных магнитных ловушек с помощью зондирования плазмы пучком тяжелых ионов. Приведены описания разработанных диагностических комплексов для зондирования плазмы токамака Т-10 и стелларатора TJ-II, и полученные с их помощью результаты измерений стационарных профилей потенциала плазмы и его осциллирующей компоненты в виде квазимонохроматических и широкополосных колебаний. Исследован широкий спектр режимов трех установок: ТМ-4, Т-10 и TJ-II с различными методами нагрева плазмы, и выявлены общие закономерности в поведении электрического потенциала в замагниченной плазме.
Актуальность темы
Исследования электрических полей является одной из актуальных научных проблем, существующих в настоящее время в физике плазмы. Эти исследования связаны как с фундаментальной проблемой - описанием природы (феномена) возникновения электрического поля в квазинейтральной плазме, так и с прикладной проблемой - влиянием электрического поля на процессы переноса в плазме в замкнутых магнитных конфигурациях [1].
Известно, что в процессах переноса доминируют аномальные механизмы, связанные с плазменной турбулентностью. В настоящее время в исследованиях по магнитному удержанию доминирует гипотеза о стабилизации плазменной турбулентности и аномального переноса с помощью шира (радиальной неоднородности) полоидального вращения плазмы в скрещенных радиальном электрическом Ет и тороидальном магнитном Bt полях [2]. Однако, эта гипотеза имеет, как подтверждения, так
и контрпримеры в эксперименте, поэтому вопрос о роли Ет в удержании плазмы по-прежнему остается открытым.
Исследования роли Ет в удержании плазмы и плазменной турбулентности в замкнутых магнитных ловушках приобрели необычайную популярность в физике плазмы в последние годы. На Европейских конференциях по физике плазмы (EPS Conference on Plasma Physics), Международных конференциях по термоядерной энергетике (IAEA FEC -Fusion Energy Conference) и Конгрессах по физике плазмы (Congress on Plasma Physics) докладываются результаты экспериментальных и теоретических исследований, которые проводятся практически на всех токамаках и стеллараторах, существующих в мире в настоящее время. Этой важной теме посвящается специальное тематическое международное совещание (REFPCE - Role of Electric Field in Plasma Confinement and Exhaust), которое проводится ежегодно как присоединенное совещание к Европейским конференциям (EPS satellite meeting).
Другие конференции по физике плазмы, такие как, например, Международная Токи конференция (ITC, International Toki Conference), Международное совещание по проблемам стеллараторов (International Stellarator Workshop), Европейская конференция по теории плазмы (European conference on plasma theory) и Международная Школа-конференция в Алуште (Alushta International Conference-School) посвящают множество докладов исследованию различных явлений, связанных с электрическими полями, вращением плазмы и турбулентности. В течение последних 6 лет в рамках Алуштинской конференции работает Совещание по электрическим полям в токамаках и стеллараторах.
Результаты экспериментальных исследований электрических полей, их стационарных значений и осциллирующих компонент, проведенных в последнее время, приведены в обзорах [3, 4, 5]. Экспериментальное исследование электрических полей в термоядерной плазме представляет собой трудную задачу. Применение электрических зондов ограничено
придиафрагменной областью. Спектроскопические методы измерения скорости вращения плазмы требуют не только сложной техники, но и определенных допущений при интерпретации измерений. Таким образом, диагностические возможности для исследования электрического поля весьма ограничены. Наиболее прямым методом измерений потенциала в горячей плазме является зондирование пучками тяжелых ионов (Heavy Ion Beam Probing-НІВР) [6].
Настоящая работа посвящена развитию диагностического метода НІВР, и исследованию с его помощью электрического потенциала и турбулентности плазмы в токамаках ТМ-4, Т-10 и стеллараторе TJ-II.
Целью настоящей работы является исследование электрического потенциала и турбулентности в термоядерной плазме, описание свойств его стационарной и осциллирующей компонент, поиск взаимосвязи между электрическим потенциалом и удержанием плазмы.
Исходя из этой цели, решались следующие основные задачи по изучению электрического потенциала:
Разработка диагностической аппаратуры для зондирования плазмы пучком тяжелых ионов, применимой к условиям современных термоядерных установок Т-10 и TJ-II.
Развитие диагностического метода НІВР, применение его для исследования потенциала плазмы и характеристик турбулентности в условиях современных термоядерных установок Т-10 и TJ-II.
Исследование пространственно-временной структуры потенциала, определение его характерных масштабов;
Исследование квазикогерентных и широкополосных колебаний потенциала и плотности плазмы
Исследование турбулентного потока частиц в горячей зоне плазмы.
Связь с планом научно-исследовательских работ. Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-технических работ ИФТ по направлению: «термоядерный синтез» и в поддержку ФЦП «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года». Научная новизна состоит в том, что:
1. Созданы комплексы диагностической аппаратуры для зондирования
плазмы пучками тяжелых ионов на установках Т-10 и TJ-II, позволившие
впервые провести одновременные измерения осцилляции электрического
потенциала, плотности и полоидального магнитного поля, а также
сравнительный анализ поведения потенциала в токамаке и стеллараторе.
На TJ-II впервые в тороидальных установках проведены измерения турбулентного потока частиц в основной плазме.
Впервые исследованы геодезические акустические моды (ГАМ) в режимах с ЭЦР нагревом, обнаружены сателлиты. Амплитуда колебаний потенциала для ГАМ в режимах с ЭЦР нагревом может превышать 100 В. На Т-10 ГАМ имеют предел по плотности и некоторую магнитную компоненту.
Впервые на токамаках обнаружены дальние корреляции плотности и потенциала для ГАМ, установлен глобальный характер ГАМ.
Впервые установлен перемежаемый (вспышечный) характер ГАМ и модуляция их амплитуды и частоты пилообразными колебаниями.
Впервые в тороидальной плазме непосредственно наблюдались колебания электростатического потенциала и Ероі в диапазоне альфвеновских собственных мод (АЕ); ДфАЕ~Ю В, ДЕрО/~10 В/см. Впервые с помощью HIBP измерены полоидальные номера мод и скорости полоидального вращения для АЕ, возбуждаемых в горячей зоне плазмы и исследован вклад АЕ в электростатический поток частиц ГЕхв-
На TJ-II обнаружены новые типы неустойчивостей, а именно, моды, резонансные по плотности и моды, связанные с надтепловыми электронами, исследованы их свойства.
Теоретическое и практическое значение полученных результатов
Значение результатов диссертационной работы для прикладных задач и теории физики плазмы определяется тем, что работа направлена на решение проблемы, связанной с изучением общих свойств и закономерностей поведения электрического потенциала и турбулентности плазмы. Полученные результаты:
могут быть использованы для измерения стационарных профилей и флуктуации потенциала и плотности высокотемпературной плазмы тороидальных установок (токамаков и стеллараторов) методом зондирования пучком тяжелых ионов;
будут способствовать построению теоретических моделей, адекватно описывающих перенос частиц и перенос заряда в плазме, и могут быть использованы для теоретического моделирования и оценки процессов диффузии и теплопроводности в термоядерных установках;
3. могут найти применение в получении режимов с улучшенным
удержанием плазмы;
4. могут найти применение для оценки влияния различных типов
плазменных неустойчивостей, например собственных альфвеновских мод, на
перенос частиц и энергии в плазме современных установок и в будущем
термоядерном реакторе;
Кроме того, результаты диссертационной работы могут быть использованы для разработки новых образцов диагностической аппаратуры для зондирования плазмы современных термоядерных установок и будущего реактора.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Создание комплексов многоцелевой диагностической аппаратуры для зондирования плазмы пучками тяжелых ионов, позволивших провести уникальные измерения электрического потенциала и его осцилляции на установках Т-10 и TJ-II, а также турбулентного потока частиц на TJ-II.
2. Экспериментальное доказательство наличия общих свойств потенциала в
плазме трех установок, круглых токамаков ТМ-4 и Т-10, и стелларатора с
пространственной осью TJ-II, несмотря на существенные различия в их
магнитных конфигурациях, а именно:
Масштаб нескольких сотен вольт.
В режимах с низкой плотностью ( пв < 1x10 м") потенциал имеет положительный знак и величину от 0 до +1.2 кВ на стеллараторе TJ-II, от 0 до +0.2 кВ на периферии токамака ТМ-4.
В режимах с «е > 1 х10 м" потенциал имеет отрицательный знак и величину от 0 до -0.6 -1.2 кВ на всех трех установках, несмотря на различные методы нагрева: омический в ТМ-4, омический и ЭЦР в Т-10, ЭЦР и/или инжекционный в TJ-II. Среднее ~ЕГ также имеет один масштаб,
Рост пв и связанный с ним рост тЕ вызывает изменение ф(р) и Ег в отрицательную сторону.
Ввод дополнительной ЭЦР мощности, связанный с ним рост Те и падение Те вызывает изменение ф(р) и Ег в положительную сторону.
Таким образом, больший отрицательный потенциал и большее отрицательное электрическое поле характеризуют режимы с лучшим удержанием в исследованных тороидальных установках.
3. Идентификация и исследование свойств геодезических акустических мод
(ГАМ) на токамаке Т-10. ГАМ, в основном, проявляются на потенциале
плазмы Афодм ~ 20-100 В, и гораздо менее заметны на флуктуациях
1 /9
плотности. Частота ГАМ в эксперименте /gavt Те , что соответствует теоретической зависимости для ГАМ с точностью до множителя порядка единицы. На Т-10 ГАМ имеют предел по плотности и некоторую магнитную компоненту. Впервые исследованы ГАМ в режимах с ЭЦР нагревом, обнаружены сателлиты. Амплитуда колебаний потенциала для ГАМ в режимах с ЭЦР нагревом может превышать 100 В. Впервые на токамаках обнаружены дальние корреляции плотности и потенциала для
ГАМ, установлен глобальный характер ГАМ. Впервые установлен перемежаемый (вспышечный) характер ГАМ и модуляция их амплитуды и частоты пилообразными колебаниями.
4. Экспериментальное обнаружение и исследование свойств альфвеновских мод в стеллараторе TJ-II в режиме с инжекционным нагревом. Показано, что АфдЕ ~ 10 V, АЕ видны на всех трех параметрах, регистрируемых HIBP: потенциале, плотности и Bpoh эти три величины обладают высокой когерентностью и конечной кросс-фазой между собой. Различные ветви АЕ, наблюдаются HIBP с высоким пространственным (~1 см) и частотным (<5 кГц) разрешением в диапазоне частот 50 < 350 кГц. Для каждой ветви определена ее пространственная локализация. Впервые в тороидальной плазме непосредственно наблюдались колебания электростатического потенциала и Ероі в диапазоне АЕ; АфАЕ -10 В, AEpoi~\0 В/см. Впервые с помощью HIBP измерены полоидальные номера мод и скорости вращения для АЕ, возбуждаемых в горячей зоне плазмы и исследован вклад АЕ в электростатический поток частиц ГЕхв- Показано, что вклад АЕ в турбулентный поток частиц ГехвАЖ для разных ветвей АЕ может быть направлен как наружу, так и внутрь, или вообще отсутствовать, в зависимости от фазового соотношения между колебаниями Epoi и плотности. Как правило, ГехвАЖ направлен наружу, его величина для различных ветвей АЕ значительно различается от пренебрежимо низкого уровня до значения, сравнимого с потоком, вызванным широкополосной турбулентностью. Сравнение с численными МГД расчетами показало, что некоторые наиболее сильно выраженные ветви можно идентифицировать как НАЕ (винтовые) моды.
5. Экспериментальное обнаружение и исследование свойств нового типа неустойчивости, связанной с надтепловыми электронами, в стеллараторе TJ-II в режиме с ЭЦР-нагревом (ECRH/ECCD) при чрезвычайно низкой плотности плазмы (пе = (0.2—0.5)*10 м ). Показано, что каждая ветвь
этой моды имеет амплитуду Аф ~ 20 В , конечную радиальную ширину, низкое модовое число (т<5) и одинаковую угловую фазовую скорость полоидального вращения Q^T = 8х 104 [рад/с], направленную в сторону электронного диамагнитного дрейфа. Вклад моды в турбулентный поток частиц ГЕхв для наблюдаемых волновых векторов кв < 3 см"1 оказался малым по сравнению с вкладом широкополосной турбулентности.
6. Экспериментальное обнаружение и исследование свойств нового типа
неустойчивости - моды, резонансные по плотности, на стеллараторе TJ-II.
Показано, что мода проявляется в виде сильной (до 100%) модуляции
локальной плотности плазмы на наружном склоне ее радиального
профиля, (0.5< р<0.9) и возбуждается только при определенных
1 Q — "3
значениях плотности плазмы пе = 0.6, 1.7, 2.7, 3.6 х Ю м .
7. Экспериментально установлено, что режимы с улучшенным удержанием,
вызванным краевой поляризацией (подачей напряжения на лимитер в TJ-
II или на электрод в Т-10) характеризуются формированием сильного
краевого поля ЕТ и подавлением широкополосных колебаний потенциала
и плотности. В режимах с самопроизвольным (TJ-II) и вынужденным (Т-
10) улучшенным удержанием, широкополосная турбулентность
подавлялась не только на краю, но и в основной плазме, что
свидетельствует о глобальном изменении турбулентного транспорта.
Таким образом, обнаружена связь между величиной электрического
потенциала, формированием краевого слоя с сильным отрицательным ЕТ,
подавлением турбулентности, увеличением плотности плазмы и
временем удержания энергии.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII и XIII Международных конгрессах по физике плазмы (Ницца, 2004, Киев, 2006); 20 и 21 Международных технических совещаниях МАГАТЭ по физике быстрых
частиц, (2010, Киев, 2011, Остин); 12, 13 и 18 Американских конференциях по диагностике плазмы (Рочестер, 1994, Монтеррей, 1996, Туксон, 2004); Международных технических совещаниях МАГАТЭ по исследованиям на малых термоядерных установках (Прага, 1996, Каир, 1998, Мехико, 2005, Лиссабон 2007); 7 Международном симпозиуме по термоядерным технологиям (Лиссабон, 1996); Международных конференциях по физике плазмы и УТС (Алушта, 2004, 2006, 2008, 2010); 10, 19, 20 и 21 Международных Токи конференциях по физике плазмы и УТС (Токи, 2001, 2009, 2010, 2011); 2-12 Международных совещаниях по роли электрических полей в удержании плазмы (Маастрихт, 1999, Монтре, 2002, Санкт-Петербург, 2003, Ницца, 2004, Таррагона, 2005, Рим, 2006, Варшава, 2007, Херсонес, 2008, София, 2009, Дублин, 2010); 14 и 15 Международных совещаниях по физике стеллараторов (2003, Грейфсвальд; 2005, Мадрид); 23, 26, 27, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 и 37 Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (Киев, 1996, Маастрихт, 1999, Будапешт, 2000, Монтре, 2002, Санкт-Петербург, 2003, Лондон, 2004, Таррагона, 2005, Рим, 2006, Варшава, 2007, Херсонес, 2008, София, 2009, Дублин, 2010); XX Международной конференции МАГАТЭ по термоядерной энергетике (Виламура, 2004, ххх, 2006, Женева, 2008, Даеджон, 2010); XXIV - XXXVII Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997-2010), на 9 Европейско-американском рабочем совещании по транспорту (Кордоба, Испания 2010), на XXIII Российско-германском совещании по электронно-циклотронному излучению и ЭЦР нагреву (Н. Новгород-Москва 2010), на научном семинаре стелларатора LHD (Токи, Япония, 2009-2010), на научном семинаре стелларатора Heliotron-J (Киото, Япония, 2010), на научныхом семинаре стелларатора Wendelstein -7Х (Грейфсвальд, Германия 2007-2009), на научном семинаре отделения физики плазмы исследовательского центра CIEMAT (Мадрид, Испания, 1992-2010), на научных семинарах отделения физики плазмы Национального научного центра «Харьковский Физико-технический институт» (Харьков, Украина, 1991-2010), на научном семинаре
токамака ISTTOK (Лиссабон, Португалия, 2006), на научном семинаре токамака TEXTOR (Юлих, Германия, 1998), на научном семинаре токамака TCV (Лозанна, Швейцария, 2004-2006).
Диссертация в целом и ее отдельные части докладывались на семинарах в НИЦ «Курчатовский институт».
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 43 работах, из которых 42 в реферируемых журналах, в том числе в ведущих иностранных журналах и отечественных журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 279 страниц, включая 180 рисунков, 9 таблицы и список литературы из 237 наименований.
